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橡胶减振材料及制品的应用与发展(下)

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2. 橡胶减振制品 
汽车交通控制振动的途径和其它领域相同[18] :1)降低振源的激发力;2)将振动与激发源离开(隔振);3)缓和振动体的振动。橡胶减振主要用于后两个方面。 
橡胶减振器具有许多优点 [2] :1)可以通过设计结构、调 整橡胶性能来满足对各个方向刚度的要求;2)兼具衰减和吸能两种能力,减振效果好,容易越过共振区;3)弹性模量比金属小得多,能够产生较大弹性形变;4)没有滑动部分,因此无磨耗,易于保养;5)重量轻,安装、拆卸方便。 
当然,橡胶减振器也有一些缺点:1)高温低温性能不如金属;耐油性能不如金属;2)对于直射日光需要注意用薄膜遮蔽等;3)长期用于大载荷时弹性减弱。

2.1 发动机座 [1,18] 
机座是支撑动力装置(发动机、变速机)的重要部件,除要求具有一定的减振特性外,还必须兼备有限制位移的功能。 
发动机安装用橡胶减振配件,产品如发动机后安装垫、引擎前支撑、发动机螺钉接线索环等(见图 1、图 2)。 
图1发动机座
图2 
最近,为了进一步地提高舒适性和平稳性,已有许多采用液体封人式及电子控制式的实例。而且在汽车用减振橡胶中,也有最有希望提高橡胶材料的耐热性的制品。作为液体封入型的减振橡胶也可分为单孔、双孔和电子控制三种类型。
图 3 所示为液体封入型发动机座的结构(单孔型)。图 4 为通过电子控制流路的开闭,来 调整性能的液体封入式发动机座 [19] 。图 5 为使用粘度随电压改变而得以调节的流体来控制性能的发动机底座 [19] 。
图3 液体封入型发动机座的结构(单孔型) 
图4 液体封入型发动机座的结构(电子控制式) 
图5 电子流变液体封入型发动机座的结构 
1—外筒;2—电子流变流体;3—内筒;4—橡胶;5—电接头;6—电子流变阀;7—隔膜;8—气体 
在发动机产生的较高温度下对液压底座橡胶件有特别的要求,对底座性能的要求也更高:(1)耐热性要求提高(80℃一130℃);
(2)动态比例因子降低(500Hz 下 Kd/Ks≤2)。
2.2 橡胶衬套 
橡胶衬套在支撑悬挂部件的同时,具有扭变的功能,是确保车辆驾驶安全及稳定性的重要制品。此外,还具有减少振动和冲击的功能。通过对橡胶材料的探讨,在一定程度上是可以调整动态特性的,但同时也应考虑到对加工性能(塑炼、成型)和动态疲劳寿命(特性 交化、撕裂、弹性下降、磨耗等)的影响。从弹簧特性以及制作方法来看,可分为以下几个类型:
(1)仅为橡胶的橡胶衬套(负荷较小时使用);
(2)仅为粘接内筒的整体衬套(负荷与轴成直角的情况下使用);
(3)有内外筒的无声整体衬套(负荷较大时使用)。
图6 橡胶衬套
2.3 缓冲器 
载重汽车在行驶中,特别是载重情况下与路况较差时行驶,往往上下层幅比较大,为有效防止箱体与车桥、车架的冲击,重型车中大都采用橡胶缓冲制品。这类产品诸如弹簧限位块、中后桥限位块总成等 [20] 。
图7 前悬架缓冲块 
图8 后悬架限位块总成 

缓冲器具有吸收冲击力(由车轮对车体的冲击力)的作用,因此耐冲击特性和负荷-挠度特性受到重视。由于冲击变形速度快,会显示振动时的高频率区域变化相同的状态,因此不适合使用耐寒性差的材料以及受温度影响大的材料。作为材料来讲,除 NR 类橡胶材料外,也可用发泡聚氨酯类材料。在一般情况下,缓冲器要受到自由高度70%~80%的压缩变形,所以设计时,对形状必须加以充分注意。多 层结构橡胶缓冲器也称为橡胶弹簧,具有金属弹簧的辅助功能。
2.4 消音器支架 
支架具有支撑排气管系统的功能,但在减小车内噪音方面也起着重要的作用。作为消音器支架来讲,大致有悬挂和与配件粘合的两种类型。由于是在高温环境下使用的,所以多数用的是 EPDM 类橡胶材料。
2.5 橡胶空气弹簧 [21,22,23] 
空气弹簧是汽车空气悬架系统的弹性元件及重要组成部分。空 气弹簧是一种在柔性密闭容器中加入压力空气、利用空气的压缩弹性进行工作的非金属弹性元件,具有缓冲、减振和动作等功能。它主要由橡胶气囊和上盖及底座组成,有的还带有箍带或箍罩。它的优点是弹簧常数低,固有振动频率大致保持一致,与空车或重车的状态无关。它对高频振动的减振性能好,也可防止噪音。不足之处在于确定车桥位置的机构复杂,容易产生横向摆动和纵摇。
根据橡胶气囊工作时的变形方式,空气弹簧可分为膜式空气弹簧、囊 式空气弹摄和混合式空气弹簧三种(图 9、图 10、图11)。膜式空气弹簧主要靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形;囊式空气弹簧主要靠橡胶气囊的挠屈获得弹性变形;混合式空气弹簧则兼有以上两种变形方式 [24] 。

图 9 囊式空气弹簧 

图 10 膜式空气弹簧 

图 11 混合式空气弹簧 
空气弹簧组装结构见图 12。

图 12 空气弹簧组装结构 
畦田、利夫等人研究表明 [25] ,作为空气弹簧气囊的老化因素,是以交变应力为基础,再以热、紫外线等的氧化老化因素相复合,并指出今后应将重点放在耐疲劳性的材料设计上。
2.6 动态减振器 
对汽车来讲,由于在各种各样的频率区域存在有固有振动频率,所以这样的振动将会降低隔音、舒适性和驾驶稳定性等。作为对策,可采用与橡胶制作的共振体系(动态减振器)来减小特定频率的振动。因此,在设计上要求因环境变化和时间变化而引起共振点的移动要小。主要使用的橡胶材料仍然是天然橡胶类。可是,对苛刻的热环境部位使用的制品,已有采用 EPDM 类橡胶材料的实例。

图 17 橡胶减振器系列 
3 结束语 
近年来,为提高汽车的安全性、舒适性和操作性,对减振橡胶元件的要求也越来越高,减振橡胶制品的应用品种和数量越来越多。随着科学技术的发展,国内外对减振橡胶的胶料配方、结构设计、测 试方法及生产工艺技术进行了大量的研究,并结合 ANSYS、Abaqus等分析技术对减振橡胶制品进行优化分析,减 振橡胶的结构与减振性能都有明显的改进与提高,其 应用也将更为广泛。 

作者:王雪飞,杨军

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来源:汽车NVH云讲堂
Abaqus振动疲劳汽车电子材料NVH控制ANSYS
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首次发布时间:2023-04-14
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吕老师
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